压缩空气泡沫灭火系统扑救浮顶储罐密封圈火灾的应用研究*

郎需庆　谈龙妹　吴京峰　牟善军　张卫华

(中国石油化工股份有限公司青岛安全工程研究院　山东青岛 266071)



压缩空气泡沫灭火系统扑救浮顶储罐密封圈火灾的应用研究*

郎需庆谈龙妹吴京峰牟善军张卫华

(中国石油化工股份有限公司青岛安全工程研究院山东青岛 266071)

摘要分析了密封圈火灾过程及特点，建立了压缩空气泡沫灭火试验装置，参照10×104 m3浮顶储罐建立了20 m长的密封圈试验装置，以汽油为介质开展了多次泡沫灭火试验。试验结果表明：该压缩空气泡沫灭火试验装置可在30 s内完成灭火，泡沫混合液供给强度约14～19 L/(min·m2)，具有在大型浮顶储罐上应用的可能性。针对单台10×104 m3浮顶储罐浮盘密封圈灭火提出了工程应用方案，该储罐共需泡沫液量1 200 L，分为4套压缩空气泡沫灭火装置均匀分布在浮盘边缘，浮盘密封圈火灾报警系统与该泡沫灭火装置联锁启动自动灭火，各套灭火装置的持续喷射时间约1 min。

关键词浮顶储罐密封圈火灾压缩空气泡沫灭火装置

Application Study of Compressed Air Foam System on Extinguishment of Floating Roof Tank Rim Seal Fires

LANG XuqingTAN LongmeiWU JingfengMU ShanjunZHANG Weihua

(SINOPECResearchInstituteofSafetyEngineeringQingdao，Shandong266071)

AbstractThe process and character of rim seal fire has been analyzed and the experimental compressed air foam system equipment has been established. The experimental rim seal facility with length of 20 meters has been constructed and many real fire tests have been conducted with gasoline. The results show that the fire can be extinguished within 30 seconds by using this equipment, with the foam application rate of 14～19 L/(min·m2) and it is feasible to be applied in large floating roof tanks. The engineering application proposal of rim seal fire extinguishment with compressed air foam system for large scale floating roof tank of 10×104m3has been put forward. 1 200 L foam solution will be needed for such a large tank and can be loaded in 4 separated foam tanks which is evenly fixed around the floating roof rim. The foam system is activated by the current fire alarming system on the rim seal and the total spraying time for each foam tank is about 1 minute.

Key Wordsfloating roof tankrim seal firecompressed air foam system

0引言

近些年，我国沿海沿江地区建造了大量浮顶储罐，形成了巨大的罐群，多数大型原油库库容超过300×104m3，最大储罐已达15×104m3，储罐直径达100 m。油料的高度集中存储大大提高了罐区的火灾风险[1]。近期，国内发生了多起浮顶储罐密封圈燃爆事故，2006年8月江苏省一台15×104m3原油储罐发生雷击起火事故，2007年5月和6月浙江省某原油库一台10×104m3原油储罐连续发生了两次密封圈雷击起火事故，2007年7月上海某油库一台10×104m3原油储罐发生雷击起火事故[2]，2011年11月大连港2台10×104m3浮顶储罐同时遭雷击起火。API对1951年至1995年间发生的81起直径超过30 m的大型浮顶储罐火灾事故进行了统计，其中密封圈火灾占统计事故的72.8%[3]，其它研究组织也曾对世界范围内的大型浮顶储罐火灾事故进行了统计，其结果表明密封圈火灾是大型浮顶储罐最主要的火灾形式。

从国内浮顶储罐密封圈火灾的扑救情况看，尽管固定式消防系统能发挥一定灭火作用，但多数情况下都需要移动式消防力量上罐完成灭火，主要原因之一是泡沫液进入密封圈所需时间较长，往往超过10 min，导致密封圈火势增大。尽管密封圈火灾一般情况下不会对整个储罐的安全造成明显威胁，但是会严重损坏浮盘及储罐附件，影响罐区储运作业安全。研究适用于浮顶储罐密封圈的高效快速灭火系统是解决扑救密封圈火灾问题的关键。

随着新型泡沫灭火技术的快速发展，压缩空气泡沫灭火技术已经在国内森林灭火、建筑灭火等方面发挥越来越大的作用，取得了明显的作战效果，然而该技术在石化领域尚未得到充分的应用，其灭火快、泡沫消耗量低等优势未能得到发挥[4]。

本研究旨在开发撬装式压缩空气泡沫灭火装置，并应用于大型浮顶储罐密封圈火灾扑救。

1密封圈火灾机理与特点

1.1密封圈火灾机理

浮顶储罐罐内油面上漂浮着金属浮盘，浮盘直径略小于罐壁直径，浮盘与罐壁之间保持200～250 mm的环形空间。在罐壁与浮盘之间设置密封装置(通常称为密封圈)，其固定在浮盘边缘，随浮盘上下浮动，密封圈与罐壁紧密接触，目的是防止该空间内的油气挥发至外界空间。对10×104m3浮顶储罐而言，密封圈内的空间可达54～60 m3。

当罐体圆度降低、密封圈变形等原因造成密封圈与罐壁之间出现缝隙时，密封圈底部的油面与外界大气相连通，受空气流动、温度变化、油面波动等因素影响，裸露油面的气液平衡被打破，从而油气持续挥发，在密封圈内形成一定浓度的油气。另外，当浮盘上下移动时，罐壁上会留下一层油膜，其在密封圈内也会挥发油气，加剧密封圈内油气的集聚。在一定条件下，密封圈油气浓度会处于爆炸范围内，遇到雷电、明火等点火源时会发生爆炸和燃烧。

1.2密封圈火灾特点

由于密封圈内部空间是一个狭长的环形空间，可燃气在密封圈内部呈不均匀分布。密封圈内可燃气浓度分布受储罐液位、油品类型、外界温度、风力等多种因素影响[5]。因此，密封圈内可燃气发生爆炸燃烧往往呈现如下特点：

(1)先发生闪爆，后发生持续燃烧。

(2)密封圈往往发生多段燃烧，进而发展为整个密封圈燃烧。

(3)密封圈爆炸后，往往将二次密封掀开，形成开放式空间。受到爆炸冲击力的影响，二次密封上部的部件常被炸开。

(4)因燃烧面积仅限于浮盘与罐壁之间的狭长油面，最大火焰高度为4～6 m，在浮仓未被破坏时，密封圈处能维持长时间的燃烧。

2压缩空气泡沫灭火试验

当前大型浮顶储罐密封圈火灾首选固定式泡沫灭火系统进行扑救，其特点是启动快、无需人员登罐灭火、作业风险低、可持续供给泡沫液，其缺点是泡沫进入密封圈内往往需要数分钟，延长了灭火时间。对10×104m3浮顶储罐而言，泡沫通常喷射7～8 min后才能进入密封圈内覆盖油面。另外，当储罐液位较高时，密封圈距离罐壁顶部泡沫发生器较近，泡沫发生器及其泡沫管线往往会被密封圈爆炸损坏；当储罐液位较低时，罐顶喷射的泡沫易被风吹散，影响灭火效果。为了解决上述问题，研究利用压缩空气泡沫灭火技术进行快速灭火。

2.1压缩空气泡沫的形成机理与特点

压缩空气泡沫是泡沫混合液与压力气体在气液混合装置内强制混合形成的泡沫，即泡沫混合液与压力气体按照一定的流量比例在一定压力下同时注入气液混合装置内，在混合装置内扰流器的作用下，两个流体进行混合，形成发泡的泡沫液，经过管道和喷射器输送至被保护对象处，灭火系统流程如图1所示。压力气体可由压缩气体钢瓶、压缩机等提供，气体可采用空气、氮气等，泡沫混合液可采用水成膜、氟蛋白等泡沫液。

压缩空气泡沫的特点是泡沫混合均匀，发泡细腻，泡沫泡尺寸小，泡沫稳定，析液时间长，泡沫在管道内输送速度快，动能大，喷射距离远。

图1压缩空气泡沫灭火系统流程示意图

2.2压缩空气泡沫扑救汽油火灾的试验

2.2.1模拟装置

以10×104m3浮顶储罐为保护对象，建立密封圈燃烧模型(如图2所示)。密封圈模拟装置长20 m，油槽内宽度250 mm，深度600 mm，油槽上部设置金属挡板，模拟二次密封金属支撑板，金属挡板上设置间距为2 m的泡沫喷射管插口，油槽内设置橡胶带，模拟一次密封装置。

图2密封圈试验模拟装置示意图

压缩空气泡沫灭火试验装置(如图3所示)由泡沫混合液储罐、高压气瓶、泡沫管道、阀门、泡沫发生器(气液混合装置)、气体流量计、泡沫喷射管、易熔合金喷头、报警装置等组成。

图3正压式泡沫灭火系统示意图

2.2.2试验条件

泡沫混合液储罐有效储量100 L，供液压力0.4 MPa，高压气瓶容积10 L，泡沫混合液供给流量92～116 L/min，气体流量217 L/min，泡沫喷射支管管径DN15，泡沫喷射管间距2 m，易熔合金喷头动作温度74 ℃。

泡沫混合液储罐的气液混合装置出口通过管线将泡沫液输送到各个泡沫喷射口，喷射口处设易熔合金喷头。油槽内注入厚度不低于10 mm的汽油层(可持续燃烧至少3 min)，点燃汽油后，整个密封圈内油面在几秒内实现完全燃烧。

经过多次重复试验，在点燃后约8～10 s内易熔塞喷头即开启喷射泡沫实施灭火，在25～30 s内完成灭火，泡沫连续喷射时间约15～20 s，泡沫发泡倍数在8～9之间，实际喷射泡沫混合液约23.5～31.3 L。

2.2.3试验结果分析

该油槽的总燃烧面积是5 m2(250 mm×20 m)，试验的泡沫供给强度是14～19 L/(min·m2)，与《泡沫灭火系统设计规范》(GB 50151—2010)中提出的泡沫供给强度12.5 L/(min·m2)相比，本试验的泡沫供给强度略高于规范值，灭火时间控制在30 s之内，实现了快速灭火。

而NFPA11(2010版)指出，当泡沫喷头设在密封圈内时，负压式泡沫系统的泡沫混合液供给强度需不低于20.4 L/(min·m2)，连续供液时间不低于10 min，在本试验中，该系统的泡沫消耗量达1 020 L。尽管NFPA11中指出压缩空气泡沫灭火系统的泡沫混合液供给强度不低于1.63 L/(min·m2)，但从灭火角度讲，在条件允许范围内宜选择高泡沫供给强度，缩短灭火时间，降低泡沫液的消耗量。

本试验装置实现快速灭火的关键是：(1)泡沫喷头均匀分布在密封圈内，喷头间距小，保证了泡沫液在密封圈内的快速分布；(2)泡沫液喷射动能大，流动快，覆盖时间短；(3)泡沫液稳定，析液时间长，灭火性能强。

3压缩空气泡沫灭火装置在浮顶储罐的应用

基于上述试验结果，压缩空气泡沫灭火装置可应用于大型浮顶储罐密封圈火灾扑救，密封圈火灾的灭火时间可控制在1 min之内。考虑到浮顶储罐浮盘与罐壁之间的空间内存在密封胶袋、油气隔膜、因炸毁而落入油面的二次密封金属支撑板及可能被炸毁的泡沫喷头等因素会对泡沫覆盖时间造成不利影响，因此，在工程应用时，需将泡沫持续喷射时间适当延长，以保证有足量的泡沫层覆盖着火油面。

以10×104m3浮顶储罐为保护对象，浮盘与罐壁之间平均距离250 mm，边缘周长约252 m，因此，浮仓与罐壁之间油面的总面积是63 m2。基于试验结果，泡沫供给强度取19 L/(min·m2)，泡沫连续供给时间取1 min，则泡沫混合液需求量是1 197 L。

为了便于布置，同时考虑浮盘载荷的均匀分布，10×104m3浮顶储罐浮盘密封圈宜布置4套压缩空气泡沫灭火装置，均匀设置在浮盘的边缘，单套泡沫装置的泡沫混合液充装量为300 L。单套泡沫装置的配置参数，如表1所示。

表1　泡沫系统基本设计参数

为缩短泡沫输送距离，泡沫灭火装置宜布置在浮盘边缘靠近泡沫堰板的位置(如图4所示)，泡沫喷头穿过二次密封金属支撑板插至一次密封和二次密封之间，泡沫液通过固定在浮盘上的泡沫管线输送到各个泡沫喷头处。该泡沫灭火装置由泡沫混合液储罐、气液混合器、自动阀、高压气瓶及泡沫喷射管路等组成。

1—高压气瓶；2—泡沫混合液储罐；3—泡沫发生器；

4—控制室；5—泡沫堰板；6—泡沫喷射头；

7—罐壁；8—浮盘密封圈

图4泡沫装置在浮盘上的安装示意图

为保证泡沫层在密封圈内油面均匀覆盖，取消泡沫喷射管的易熔塞合金喷头，由主管路上安装在气液混合装置出口的自动阀控制整个装置的启动，自动阀与罐区控制室火灾报警系统联锁。当浮盘密封圈上的感温火灾报警装置给出火灾信号后，泡沫装置的自动阀即开启喷射泡沫灭火。

4结语

分析了浮顶储罐密封圈火灾机理和密封圈火灾特点，参照10×104m3储罐设置了20 m长的密封圈试验装置，建立了泡沫喷射装置，以汽油为介质进行了多次燃烧灭火测试。试验结果显示该压缩空气泡沫灭火装置具有较强的灭火能力，消耗泡沫液量少，可在30 s内完成灭火，因此，这种压缩空气泡沫灭火装置具有工程应用的可行性。

以10×104m3浮顶储罐为对象，提出了应用于扑救密封圈火灾的压缩空气泡沫灭火装置设置方案。

另外，由于该灭火装置内存储的是泡沫液的预混液，其存储时间往往不超过2年，研究耐低温、存储时间长的泡沫预混液是今后的研究需求之一。目前，部分储罐的火灾报警系统误报率较高，这将影响火灾报警系统与该装置的联锁功能。

参考文献

[1]郎需庆,陶彬,张玉平,等.大型原油储罐的火灾爆炸风险浅析[J].安全、健康和环境.2014,14(9):43-45.

[2]宫宏,刘全桢,宋贤生,等.大型浮顶储罐浮盘密封圈雷击起火事故分析[J].安全、健康和环境.2008，8(10):7-8.

[3]API PUBLICATION 2021A.Interim study-prevention and suppression of fires in large aboveground atmospheric storage tanks[S].1998.

[4]包志明,陈涛,傅学成,等. 压缩空气泡沫系统液下油罐液上喷射的可行性研究[J]. 消防科学与技术,2013,32(4):425-428.

[5]郎需庆,刘全桢,宫宏. 关于超大型原油库消防系统建设的探讨[J].工业安全与环保,2011,37(4):33-34.

(收稿日期：2015-02-10)

作者简介郎需庆，男，硕士，高级工程师，注册安全工程师，现就职于中国石化安全工程研究院，从事石油化工消防与工业安全技术研究。已在国内学术刊物和学术会议上发表论文20余篇，获得国家发明专利4项。

*基金项目：中国石化科研课题“大流量高效泡沫灭火技术研究”。